1. Mở đầu

           Đầu tháng 11 năm 2024, Công ty TNHH MTV Trắc địa Bản đồ đã cử cán bộ tham gia khoá đào tạo phân tích ảnh quang học siêu phổ do Cục Bản đồ/BTTM tổ chức. Khoá học đã cũng cấp kiến thức về viễn thám siêu phổ (VTSP) phục vụ công tác xử lý, phân tích dữ liệu và các ứng dụng quân sự, an ninh quốc phòng, cũng như một số ứng dụng khác.

           Viễn thám siêu phổ là thuật ngữ dùng để chỉ các hệ thống thu nhận ảnh ở rất nhiều băng tần hẹp và liên tiếp nhau từ giải phổ nhìn thấy, cận hồng ngoại, hồng ngoại trung, tới hồng ngoại nhiệt. Một hệ thống VTSP điển hình thường thu nhận trên 200 band dữ liệu, qua đó cho phép xây dựng một quang phổ phản xạ liên tiếp cho từng điểm ảnh (pixel). VTSP cho phép phân biệt được các yếu tố mặt đất có quang phổ chuẩn đoán nằm trong những bước sóng hẹp, mà hệ thống ảnh đa phổ truyền thống ko phát hiện được.

Hình 1. Khả năng thu nhận và phân loại lớp phủ của VTSP

           Những dòng máy ảnh thông thường sẽ ghi lại ba kênh quang phổ trong mỗi điểm ảnh đó là màu đỏ (R), xanh lá cây (G), và xanh dương (B), trong khi các máy ghi hình siêu phổ (ảnh hyper-spectral) sẽ ghi lại hàng trăm kênh quang phổ. Nguyên lý hoạt động của VTSP là khi thu nhận sẽ phân tách chùm tia sáng thành các tia sáng đơn sắc theo các bước sóng khác nhau. Hệ thống cảm biến sẽ thu nhận và phản ứng với các photon có bước sóng quan tâm trong một dải xác định và hiển thị phân tách một cách chi tiết và liên tục.

           Dữ liệu thô đầu ra được hình dung như một khối dữ liệu (datacube). Đây có thể được coi là một ngăn xếp hàng chục đến hàng trăm hình ảnh với mỗi hình ảnh liên tiếp đại diện cho màu cụ thể của nó (dải phổ), hoặc tương đương, như một đường cong quang phổ chi tiết cho mỗi điểm ảnh.

Hình 2. So sánh bước sóng và mật độ thu nhận của các hệ thống máy ảnh

           Ảnh viễn thám băng tần rộng truyền thống (ví dụ: ảnh LandSat 11 băng, ảnh SPOT 5 băng) từ lâu đã được ứng dụng thành công cho việc xây dựng bản đồ hiện trạng, và theo dõi các biến đổi môi trường. Tuy nhiên các kỹ thuật mới đã chỉ ra rằng, bên cạnh những ưu điểm như dễ sử dụng, được nắn chỉnh tốt, được nhiều phần mềm xử lý ảnh hỗ trợ, ảnh viễn thám băng tần rộng cũng có những hạn chế nhất định. Do số băng tần ít và độ rộng của mỗi băng tần là rất lớn, nên trên ảnh viễn thám truyền thống, nhiều thông tin quan trọng bị trộn lẫn với nhau. Chính vì vậy, công nghệ ảnh siêu phổ (hyper-spectral image) đã được sử dụng mạnh mẽ trong ứng dụng phân tích dữ liệu (data analytics). Công nghệ này cho phép thu nhận một lượng lớn thông tin từ các quan sát bề mặt và tính chất phổ của đối tượng, từ đó phát hiện những đặc trưng và tính chất phức tạp của chúng.

2. Ứng dụng viễn thám siêu phổ

           Ngày nay, khi ứng dụng VTSP kết hợp với hệ thông tin địa lý (GIS) sẽ giúp dễ dàng thực hiện các nhiệm vụ như:

           - Quản lý tài nguyên và môi trường:

           + Quản lý tài nguyên đất: lập bản đồ và theo dõi biến động sử dụng đất, lập bản đồ thổ nhưỡng, nghiên cứu xói mòn, thoái hóa đất, sa mạc hóa,…

           + Giám sát tài nguyên và môi trường biển: lập bản đồ các hệ sinh thái nhạy cảm như rừng ngập mặn, đất ngập nước; theo dõi biến động đường bờ; theo dõi tràn dầu,…

           - Lâm nghiệp: phân loại, kiểm kê rừng, đánh giá trữ lượng, sinh khối, theo dõi diễn biến diện tích rừng, theo dõi cháy rừng,…

           - Nông nghiệp: phân loại và theo dõi biến động sử dụng đất nông nghiệp, theo dõi mùa màng (sinh trưởng, năng suất, lịch gieo trồng, sâu bệnh)…

           - Nghiên cứu địa chất: thành lập bản đồ địa chất, bản đồ phân bố khoáng sản, bản đồ phân bố nước ngầm,…

           - Quản lý tai biến: theo dõi, dự báo tai biến sạt trượt lở, ngập lụt, tai biến địa chất, cháy rừng…

           - Quản lý đô thị thông minh: quản lý cơ sở hạ tầng đô thị, theo dõi biến động đô thị, quy hoạch đô thị, nghiên cứu hiện tượng đảo nhiệt đô thị,...

           Với nguyên lý hoạt động và phân tích dữ liệu trực quan, công nghệ VTSP có thể trở thành một giải pháp tốt ứng dụng trong lĩnh vực an ninh quốc phòng như:

           - Phát hiện mục tiêu và dị thường tại các khu vực quân sự hoặc khu vực nhạy cảm cần quan tâm dựa trên thư viện quang phổ và hình ảnh tham chiếu (khu vực quan tâm chứa nhiều đối tượng và khó nhận biết được bằng ảnh RGB).

Hình 3. Phát hiện đối tượng dị thường a) ảnh màu tạo từ ​​VTSP, b) điểm ảnh nổi bật trên nền sau khi xử lý, c) chiết tách vị trí nổi bật

           - Phát hiện các thiết bị vũ khí, khí tài được nguỵ trang, bãi mìn được chôn không thể phát hiện bằng mắt thường (cảnh ảnh mà một quang phổ kế đơn điểm sẽ không lấy mẫu chính xác hoặc đã bị che phủ cố ý bằng các vật liệu có tính chất phổ tương tự).

Ảnh màu toàn sắc	Ảnh màu đa phổ
Hình 4. Phát hiện đối tượng nguỵ trang

3. Kết luận

           Với những ưu thế và lợi ích khác biệt về phân tích hình ảnh, giai đoạn tiếp theo VTSP sẽ là một xu thế mới của điều tra phân tích dữ liệu viễn thám. Vì vậy chúng ta cần đẩy mạnh nghiên cứu và tìm hiểu để áp dụng VTSP cho ngành Kỹ thuật - Trắc địa Bản đồ trong thành lập nhiệm vụ thành lập bản đồ chuyên đề và quản lý cơ sở dữ liệu lớn “Big-data”. Đồng thời tích cực khuyến khích các đồng chí kỹ thuật viên chủ động kết nối với các nhà khoa học trong và ngoài nước nghiên cứu khoa học phát triển ứng dụng công nghệ VTSP trong những năm tiếp theo.